专利名称：具有对其超导转子绕组的温差环流冷却的电机装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电机装置，其具有
-可围绕旋转轴旋转地支撑且被定子环绕的转子，该转子具有至少一个 转子绕组，该转子绕组的超导性导体传热地耦合在中夹的沿轴向延伸的圆柱形 转子空腔上，
-位于转子之外位置固定的具有冷凝腔的冷却单元以及
-在所述中央的转子空腔与冷却单元的冷凝腔之间延伸的管形管道部分。
在此，转子空腔、管形管道部分以及冷凝腔构成一个封闭的管路系统，冷 却介质可以在其中利用温差环流效应循环循环。
背景技术：
一种相应的电机装置已由德国专利申请DE 1005 7664A1公开。
自从1987年以来已对具有77K以上越变温度Te的金属氧化物超导材料有 所了解。因此这些材料也被称为高越变温度Tc的超导材料或HTS材料并且原 则上可以实现利用液态氮(LN。的冷却技术。
人们还试图通过采用这样的HTS材料制成的导体，来制造电机的超导绕 组。但是业已表明，迄今已知的HTS导体在通过Tesla范围内的感应的磁场中 具有相对较小的载流能力。这通常要求，这类绕组的导体尽管所采用的材料本 身具有高的越变温度Tc，但是必须保持处于一个低于77K的温度水平，例如界 于10与50K之间，以便因此在出现高场强时能够承载大的电流。这样的温度 水平明显高于4.2K(液态氦LHe的沸点)，而利用液态氦冷却已知的具有相对低 越变温度Te的金属超导材料，所谓的低越变温度Tc材料或LTS材料。
为了冷却具有在上述低于77K温度范围内的HTS导体的绕组优选采用具 有封闭的氦-压缩气体回路的所谓的低温冷却器形式的冷却设备。这样的低温冷 却器尤其是Gifford McMahon或Stirling类型的或者设计为所谓的脉冲管冷却
器。此外这样的低温冷却器具有的优点是，其冷却功率几乎可以通过按钮控制 提供使用以及避免运用深冷流体。在采用这样的冷却设备时超导绕组仅通过向
一个相应的冷凝器的冷却头传热来直接冷却(例如参见"Proc. 16th Int. Cryog. Engig. Conf. (ICEC 16)，， ， Kitakyushu， JP, 20,24. 05.1996, Elsevier Science出版社， 1997， 1109至1129页)。
相应的冷却技术也可用于由本文开头所述的DE10057664A1中得知的电机 转子。该转子包括由HTS导体制成的旋转绕组，所述HTS导体位于导热的绕 组支架内。该绕组支架设有中央的沿轴向延伸的圓柱形转子腔，在该转子腔上 连接有侧向从绕组支架导出的管形管道部分。这些管道部分通入到一个冷却单 元的在测量学上地位高的冷凝腔内，以及与该冷凝腔及所述中央转子腔一起构 成一个封闭的单管管道系统。在该管道系统中存在冷却介质，该冷却介质利用 温差环流效应循环。在此，在冷凝腔内冷凝的冷却介质通过管形的管道部分被
冷却的HTS绕组的热耦合而吸收热量，并且至少部分汽化。已汽化的冷却介质 随后通过相同的管道部分返回到冷凝腔中，在那里重新冷凝。为此所需要的冷 却功率由一台制冷机提供，该制冷机的冷却头热耦合地与所述冷凝腔连接。其
中朝制冷机的起冷凝器作用的构件方向的冷却介质回流通过一略微的过压驱 动，该过压是在起汽化件作用的中央转子腔中形成的。通过在该汽化件内气体 的生成以及在冷凝腔内的液化所产生的过压，导致所期望的冷却介质回流。相 应的循环也^皮称为自然对流。
代替这种已知的其中有液态和气态冷却介质流过相同管件的单管温差环 流管道系统，也已知一些利用利用温差环流效应进行冷却介质循环的双管管道 系统(例如参见WO 00/13296A)。其中在转子的空心轴区域内设有用于气态冷却 介质的附加管件。
也就是说，在利用温差环流冷却的已知电机中冷却介质的传输仅仅是利用 自然的对流实现的，从而不需要其他的泵系统。若希望将这类电机装置应用在 船舶或海上设备上，则必须要经常考虑到沿纵向达±5°的静态倾斜、即所谓的 "纵倾(Trim)"和/或达±7.5°的动态船位。为了允许分级公司使用船，所以必 须使这样的电机装置的冷却系统确保可靠的冷却。若允许电机存在所谓的倾斜， 但是仍存在中央转子腔与冷却单元之间的管形管道部分的区域比该中央转子腔 本身所处的位置更低的危险。其后果是，冷却介质在重力作用下不再能到达所
述待冷却的转子腔。因此不再能够确保对电机的冷却以及进而不能确保其正常 运行。
为了抵制该危险，另外已知下列一些建议
- 一种简单的解决方案是，将电机相对于水平面倾斜地设置成，使得即 便在倾斜或振幅增大到最大时在温差环流管道系统中仍然总是存在一个朝中央 转子腔方向的斜度。而相应地倾斜设置的结构在船舶制造中尤其在较大电机长 度时出于需要大的空间位置的要求恰恰是不希望出现的。
-原则上可以通过泵设备强迫冷却介质循环。但是为此需要明显更高的 设备成本，尤其当冷却介质应该处于例如25至30K的温度水平上时。此外这 类循环设备导致显著的损耗以及几半不能满足具有长维修间隙的造船业的寿命 要求。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于，将具有本文开头所述特征的包括带 有从属冷却单元的电机的电机装置构造成，即使在其转子的倾斜度增大时，如 在应用于船舶或海上设备中可能发生的那样，也能达到在中央转子腔中利用冷 却介质充分冷却的效果。
上述技术问题按照本发明通过在权利要求1中给出的措施得以解决。相应 地在具有本文开头所述特征的电机装置中所述中央的转子腔至少局部设有由高 导热性能的多孔材料制成的内衬，该材料为冷却介质形成贯通的类似毛细管的 结构。
围绕转子腔的绕组支架的内壁的用作转子腔与超导绕组之间导热桥的本 发明内衬，与其相关的优点是，即使在轴倾斜时也基于毛细效应使冷却介质在 所述结构或空腔的表面或围壁上均匀分布。此外，在运行中所述结构或空腔的 旋转还有助于这种冷却介质的分布。以此方式保证良好地浸湿多孔材料。因为 该材料要具有足够高的导热性，所以可以确保待冷却的导体3与冷却介质良好 的热耦合。
从权利要求1中得知的电机装置的优选扩展设计可以从从属权利要求中得知。
所述多孔材料优选涉及烧结材料，尤其涉及具有铜(Cu)的烧结材料。与此 相关地，对于烧结材料可以理解为高导热性能的各种材料，其以粉末冶金的方
法通过压制和加热形成以及同时还具有满足所要求的毛细作用的多孔性。
腔内。通过相应的方法可以简单地实现所希望的内衬。
由多孔材料制成的内衬尤其可以具有至少为3%、优选至少为10%的多孔 性，以便因此为所需要的毛细作用提供足够大的通过冷却介质沾湿的表面。
至少为100『/(米.开尔文)的材料。尤其铜(Cu)-材料毫无疑问地满足该条件，因为 其导热性具有高于所要求的最小值的数值。
取代利用烧结材料的内衬也可以采用相应的多孔涂层。
本发明电机装置的其他有利的扩展设计可以从上面未述及的从属权利要 求中得知。
为了补充性地说明本发明下面借助于详细描述电机装置的优选实施例。 图1以简略示意图示出按照本发明构造的电机单元的纵剖面图。
具体实施例方式
按照本发明的电机装置相应地包括电机或电动机以及从属的冷却单元。在 下面借助于附图表示的这样电机的实施方式中可能尤其涉及同步电动机或发电
机。该电机包括可旋转的超导绕组，该超导绕组原则上允许采用金属的LTS材 料或氧化物HTS材料。后述材料是下述实施例的基础。利用相应的导体可以由 一个线圈或者多个线圈以2极、4极或其他多极布设结构形成的系统构成绕组。 一台相应的同步电动机的原理性结构可以从附图中得知，在此基于这样电机由 本文开头提及的DE10057664A1所/>开的实施方式。
以附图标记2表示的电机包括固定的、处于室温下的外壳3及定子绕组4 。 转子5处于该外壳之内以及被定子绕组4围绕，其可围绕旋转轴线A旋转地支
外，转子具有真空罐7，在该真空罐内带有HTS绕组10的绕组支架9固定在 例如空心圓柱形的、传递扭矩的悬挂元件8上。在该绕组支架中与旋转轴线A 同心地存在一个沿轴向延伸的中央转子腔12,其例如是圆柱形的。其中绕组支 架设计为相对于该空腔是真空密封的。绕组支架在转子的一侧封闭该中央转子
腔，该绕组支架在该侧借助于实心的沿轴向的转子轴部分5a支撑。在相对置侧 该中央转子腔12与具有相对更小直径的侧空腔13连通。该侧空腔A/v绕组支架 的区域向外从外壳3的区域引出。围绕该侧空腔13、支撑在所述其中一个轴承 内的管状转子轴部分以附图标记5b表示。
为了间接地通过绕组支架9的传热部分对HTS绕组10进行冷却，设有一 个共同用附图标记15表示的冷却单元，其中仅详细地示出了冷却头16。该本 身公知的冷却单元可以涉及Gifford McMahon类型的低温冷却器或尤其涉及例 如脉冲管冷却器和Split-Stirling冷却器那样的循环低温冷却器。在此，冷却单 元的冷却头16以及进而所有重要的其他构件均位于转子5及其外壳3之外。
例如与转子5侧向间隔几米安置的冷却头16的冷却件在真空罐23内通过 导热体17与冷却介质冷凝单元保持良好的传热接触，该冷却介质冷凝单元具有 冷凝腔18,在该冷凝腔上连接一真空绝缘的、位置固定的热管20,该热管20 侧向以沿轴向的区段伸入到侧向随同旋转的空腔13或中央的转子腔12中。在 图中未详细示出的带有至少一个密封件的密封装置21用于将该热管20相对于 所述侧向空腔13密封，所述密封件可以设计成铁流体密封和/或迷宫式密封和/ 或间隙密封。通过热管20和侧向空腔13将中央转子腔12与冷凝腔18的热交 换区域对外气密地连通。在中央转子腔12与冷凝腔18之间延伸的用于容纳冷 却介质的管状部分共同被称为管道部分22。这些管道部分与冷凝腔18以及中 央转子腔12—起被^L为一个管道系统。
管道系统的这些空腔充填根据所期望的运行温度选择的冷却介质。因此例 如可以考虑采用氢(常压下冷凝温度20.4K)、氖(常压下冷凝温度27.1K)、氮(常 压下冷凝温度77.4K)或氩(常压下冷凝温度87.3K)。也可以采用这些气体的混合 物。在此冷却介质的循环是利用温差环流效应实现的。为此冷却介质在冷凝腔 18区域内的冷却头16处冷凝。如此液化的以k表示的冷却介质接着通过管道 部分22流入到中央转子腔12中。冷凝液的传输在此在重力作用下进行。为此 可以有利地使热管20略微相对于旋转轴线A倾斜(几度)，以便由此有助于液态 冷却介质k从该热管20的开口端流出。该液态冷却介质然后在转子内部汽化。 气态的冷却介质用k'表示。该吸收热量而汽化的冷却介质随后通过管道部分 22的内部流回到冷凝腔18中。其中该回流通过在起汽化器作用的转子腔12内 的略微过压朝冷凝腔18的方向驱送，而该过压是由于在该汽化器内气体的生成 以及在冷凝腔内的液化引起的。因为液化的冷却介质从冷凝腔18到中央转子腔
12的循环以及汽化的冷却介质k'从该转子腔返回到冷凝腔的回流是在由冷凝
腔18、管道部分22以及转子腔12构成的管状管道系统中进行的，涉及利用温 差环流效应进行冷却介质k、 k'循环的单管管道系统。当然对于按照本发明的 电机装置而言也可以采用已知的能实现温差环流循环的多管管道系统。
另外，从图中可以看到，在将电机2应用到船舶或海上设备中时出现一个 斜度，其中旋转轴线A相对于水平面H倾斜了一个几度的角度5。这样的话， 尽管冷却介质仍然在冷凝腔18中冷凝，但是冷却介质却不能再到达中央转子腔 12,致使管道部分22尤其在轴附近的区域通常聚集了液态的冷却介质k。这样 的话，在管道系统的冷却介质填充量相对较小时转子腔12是干运行的并且因此 而不再能够冷却。在管道系统的冷却介质填充量更大时在经过一定时间后由于 聚集的液态冷却介质使气态冷却介质k'在管道部分22中向冷凝腔18的回流 被阻截。在这种情况下同样不再能确保对转子及其超导绕组的可靠冷却。
出于该原因，如从图中所得知的那样，按照本发明在绕组支架9的内侧设 有由足够多孔的材料、优选为烧结材料制成的独特内衬25。在此其厚度通常界 于0.1与2mm之间。这样的烧结材料要针对具体实施例来选择。因此要确保， 即使在存在倾斜时也基于在烧结材料中的毛细作用力使冷却介质k在内表面上 均匀分布，从而因此确保均匀汽化和冷却。此外，内村25应该由具有到导热性 能的材料、例如铜制成。其导热率在所采用的超导材料的选择运行温度下至少 为100『.m一.iT1。优选最小值为400W(附iO-、例如铜烧结材料在温度30K时具 有大约3000『.m-1 《—！的导热率凄ti直(参见"Gmelins Handbuch der Anorganischen Chemie:Kupfer,TeilA，，， 1955年第8版,第957页)。其中内衬25与绕组支架9 具有良好的传热接触，该接触例如通过热压连接或通过压入建立。
相应的内衬也可以是涂层的形式，即在绕组支架9的内表面通过涂敷材料 实现。在此要确保足够多孔的结构，由此可以使所需要的毛细作用力起作用。
为此，内衬25或其材料的多孔性应该至少为3%，优选至少为10%。由 此在通过倾斜的轴旋转时的运行过程中，内衬25才能使液态冷却介质k均匀地 分布，同时所产生的离心力还另外有助于冷却介质在与所述结构或空腔有关的 冷却介质通道的围壁或表面上分布。
时与电动机轴A的倾斜无关地沿整个空心圓柱形内表面均匀排出损耗热。
当然包围冷却介质k、 k'的构件或容器必须要防止热量输入。因此为了使
其绝热相宜地釆用真空环境，同时需要的话在相应的真空腔内另外还采用绝缘 器件、例如超导绝缘或绝缘泡沫。图中被真空罐7围成的真空用V表示。此外
其环绕所述包围侧向空腔13、 一直延伸到密封件21的热管。环绕该热管20以 及冷凝腔18和导热体17的真空用V'表示。必要时也可以在环绕转子5的由 外壳3包围的内腔27中形成负压。
权利要求
1.一种电机装置，其具有可围绕旋转轴(A)旋转地支撑且被定子环绕的转子(5)，该转子具有至少一个转子绕组(10)，该转子绕组的超导性导体传热地耦合在中央的沿轴向延伸的圆柱形转子腔(12)上，位于该转子之外、位置固定的具有冷凝腔(18)的冷却单元(15)，以及在所述中央的转子腔(12)与冷却单元(15)的冷凝腔(18)之间延伸的管形管道部分(22)，其中所述转子腔(12)、管形管道部分(22)以及冷凝腔(18)构成一个封闭的管路系统，冷却介质(k、k′)可以在其中利用温差环流效应循环，其特征在于，所述中央转子腔(12)至少局部设有由高导热性能的多孔材料制成的内衬(25)，该材料为冷却介质(k、k′)形成贯通的类似毛细管的或腔体的结构。
2. 如权利要求1所述的电机装置，其特征在于，所述多孔材料是烧结材料。
3. 如权利要求2所述的电机装置，其特征在于铜烧结材料。
4. 如权利要求1至3中任一项所述的电机装置，其特征在于压入或热压 配合的内衬(25)。
5. 如权利要求1所述的电机装置，其特征在于采用多孔涂层作为内衬(25)。
6. 如权利要求1至5中任一项所述的电机装置，其特征在于，所述内衬(25) 的多孔性至少为3 % ,优选至少为10 % 。
7. 如权利要求1至6中任一项所述的电机装置，其特征在于，所述多孔 材料的导热率在所述超导性导体的运行温度下至少为100『/(m. K)。
8. 如权利要求7所述的电机装置，其特征在于，所述多孔材料的导热率 的值在所述超导性导体的运行温度下至少等于纯铜的导热率。
9. 如权利要求1至8中任一项所述的电机装置，其特征在于，转子绕组(IO) 的超导性导体具有高越变温度的超导材料。
全文摘要
电机装置包括具有可围绕旋转轴(A)旋转的转子(5)的电机，其超导绕组(10)通过绕组支架(9)传热地与中央冷却介质腔(12)耦合。所述转子腔(12)与在侧面与该转子腔(12)连接的管形管道部分(22)及冷却单元(15)的位于该电机之外的冷凝腔(18)一起构成一个封闭的管路系统，冷却介质(k、k′)可以在其中基于温差环流效应循环。为了即便在转子(5)倾斜时也能保持向中央转子腔(12)输送冷却介质，该中央转子腔(12)设有由高导热性能的多孔材料、优选为烧结材料制成的内衬(25)。
文档编号H02K9/20GK101111985SQ200680003844
公开日2008年1月23日 申请日期2006年1月18日 优先权日2005年2月2日
发明者伯恩德·格罗莫尔 申请人:西门子公司